TN-12-30: NORフラッシュ消去/書き込み寿命およびデータ保持

TN-12-30: NOR フラッシュ消去/書き込み寿命およびデータ保持
はじめに
テクニカルノート
NOR Flash Cycling Endurance and Data Retention
はじめに
NOR フラッシュメモリは物理的に劣化するものであり、これがデバイスエラーにつなが
る場合もあります。お客様からは、Micron の NOR デバイスのデータ保持期間について
頻繁に質問を受けますが、これに対する回答はデバイステストで得ることができます。
本テクニカルノートでは、このテストにおける業界標準、Micron NOR フラッシュテス
ト方法、NOR デバイスエラーを測定する 2 つの主要メトリックスの消去/書き込み寿命
とデータ保持を義付けしています。また、2 つの事例研究では、Micron NOR フラッシュ
デバイスを使用するアプリケーションを異なる耐久テストおよびデータ保持条件でテス
トし、そのテスト結果についても説明しています。
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Micron Technology, Inc. reserves the right to change products or specifications without notice.
© 2013 Micron Technology, Inc. All rights reserved.
Products and specifications discussed herein are subject to change by Micron without notice.
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消去/書き込み寿命とデータ保持テスト方法
消去/書き込み寿命とデータ保持テスト方法
業界標準テスト方法
Micron では、最新の JEDEC グローバル標準をフラッシュメモリデバイスのテストに採
用しています。 (JESD47I 仕様は出版時の最新のバージョンです。)
表 1: JESD47I デバイス適格性テスト
要件
# ロット/SS (ロット
ごと）
期間/承認
TJ ≥ 125°C、
VCC ≥ VCC、最大
3 ロット/77 デバイス
1000 時間/0 エラー
ELFR
TJ ≥ 125°C、
VCC ≥ VCC、最大
ELFR 表を参照
48 ≤ t ≤ 168 時間
JESD22-A108
LTOL
TJ ≤ 50°C、
VCC ≥ VCC、最大
1 ロット/32 デバイス
1000 時間/0 エラー
高温保管寿命
JESD22-A103
HTSL
TA ≥ 150°C
3 ロット/25 デバイス
1000 時間/0 エラー
ラッチアップ
JESD78
LU
Class I または II
1 ロット/3 デバイス
0 エラー
電子的パラメータ評
価
JESD86
ED
データシート
3 ロット/10 デバイス
TA データシートごと
JESD22-A114
ESD-HBM
TA = 25°C
3 デバイス
分類
ESD 充電デバイスモ JESD22-C101
デル
ESD-CDM
TA = 25°C
3 デバイス
分類
ストレス
参照
略字
状態
高温動作寿命
JESD22A108, JESD85
HTOL
寿命早期エラー率
JESD22A108, JESD74
低温動作寿命
ESD 人体モデル
高速化されたソフト
エラーテスト
JESD89-2,
JESD89-3
ASER
TA = 25°C
3 デバイス
分類
システムソフト
エラーテスト
JESD89-1
SSER
TA = 25°C
最低 1E+06 デバイス
時間または
10 エラー
分類
不揮発性メモリ消去/ JESD22-A117
書き込み寿命
NVCE1
≥ 25°C and TJ ≥ 55°C 3 ロット/77 デバイス
サイクル/NVCE
(≥ 55°C)/96　および　1000 時間/0 エラー
非サイクル
高温データ保持
JESD22-A117
UCHTDR2
TA ≥ 125°C
3 ロット/77 デバイス
1000 時間/0 エラー
サイクル後高温デー
タ保持
JESD22-A117
PCHTDR3
オプション 1: TJ =
100°C
3 ロット/39 デバイス
サイクル/NVCE
(≥ 55°C)/96　および　1000 時間/0 エラー
オプション 2: TJ ≥
125°C
メモ:
サイクル/NVCE
(≥ 55°C)/10 および 1000
時間/0 エラー
1. NVCE がデバイスをサイクルして、室温でテストを実施し、パーツの機能性とデータシート
要件を満たすことを保証します。
2. UCHTDR が、サイクルされていないデバイスのデータ保持を高温で確認します。
3. PCHTDR が、サイクルされているデバイスのデータ保持を高温で確認します。
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消去/書き込み寿命とデータ保持テスト方法
Micron テスト方法
比較表 1（2 ページ）および表 2（3 ページ）Micron NOR フラッシュテスト状態は、
JESD47I 要件を例外なく満たしています。
表 2: Micron NOR フラッシュデバイス適格性テスト
ストレス
略字
状態
要件
高温動作寿命
HTOL
デバイスの継続的な動作を維持
TJ > 125°C および VCC > VCC、最大
1,000 時間、0 エラー
寿命早期エラー率
ELFR
高速化された初年欠陥
TJ > 125°C および VCC > VCC、最大
0-168 時間
低温動作寿命
LTOL
TJ < 50°C 動作
VCC > VCC、最大
1,000 時間、0 エラー
高温保管寿命
HTSL
高温化による欠陥を検出
TA > 150°C
1,000 時間、0 エラー
ラッチアップ
LU
電圧および I/O の VCC を検証
LU のトリガー電流抵抗の VCC を認
証
0 エラー
電気的パラメータ
評価
ED
テストデータシートパラメータ
QV テスト 85°C および –40°C
ESD 人体モデル
ESD-HBM
人体モデル ESD
抵抗
仕様につき
ESD 充電デバイスモデル
ESD-CDM
充電デバイスモデル ESD
抵抗
仕様につき
高速化されたソフト
エラーテスト
ASER
TA = 25°C
仕様につき
システムソフト
エラーテスト
SSER
TA = 25°C
仕様につき
不揮発性メモリ消去/書き込み
寿命
NVCE
分布サイクルを室温 (25°C)、高温 (TJ 室温および高温サイクルを 1,000 時
> 55°C) で 3 週間
間、0 エラー
非サイクル高温データ保持
UCHTDR
TA ≥ 125°C
1000 時間/0 エラー
サイクル後高温データ保持
PCHTDR
オプション 1: TJ = 100°C
サイクル/NVCE (≥ 55°C)/96 および
1000 時間/0 エラー
オプション 2: TJ ≥ 125°C
サイクル/NVCE (≥ 55°C)/10 および
1000 時間/0 エラー
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消去/書き込み寿命
消去/書き込み寿命
本テクニカルノートでは、フラッシュデバイスで実行される PROGRAM (0)/ERASE (1) 操
作の累積数と定義されます。 NOR フラッシュは、常にセクタレベル (別名ブロック) で消
去されます。 PROGRAM/ERASE 操作はメモリセルを劣化させ、長期間に渡って累積され
たサイクルにより、電源、プログラミング、または消去仕様要件をデバイスが満たせなく
なり、または、正確なデータパターンを読み込めなくなります。
JEDEC サイクルテスト
JESD47I の定義する NVCE のテストは、2 つの温度で実施されます。デバイスの半分は室
温 (25℃) でテストし、もう一方の半分は高温 (55℃) でテストします。時間の制限がある
ため、デバイスの各ブロックを最大サイクル数 (NOR の場合 100,000 サイクル) を常にサ
イクルできるとは限りません。 JESD47I で説明されているように、NVCE テストは最長
500 時間に制限されており、各デバイスは少なくとも 1 ブロックまたはセクタが 100,000
回サイクルされなくてはなりません。サイクルは、1%、10%、100%ごとにサイクル時間
で分け、3 分の 1 のサイクル時間が 1,000、10,000、100,000 となるようにします。
以下の図では、JESD47I を複数ブロックデバイスの分離に使用して、仕様最大の 1%、
10%、100%に分離されていることが示されています。サイクル時間の 3 分の 1 は、各サ
イクル数に使用されており、少なくとも 1 ブロックは最大仕様までサイクルされます。
図 1: JESD47I マルチブロックデバイスの NVCE サイクル
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10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 100K
Total cycle time = 500 hours (MAX)
Blocks not cycled
1/3 of cycle time for 1000 (1K)
1/3 of cycle time for 10,000 (10K)
1/3 of cycle time for 100,000 (100K)
メモ:
1. サイクルは 25℃と 55℃で実施します。
2. 少なくとも 1 ブロックを最大仕様までサイクルします (100,000 サイクル)。
Micron サイクルテスト
Micron NOR 製品ラインは、PROGRAM/ERASE サイクルを 100,000 回実行できるように
設計されています。以下の図は、Micron NOR デバイスのテストでブロックがどのよう
に最大仕様 100,000 回の内 1%、10%、100%に分けられるかを示しています。合計サイク
ル欄に示されているように、サイクル時間の 3 分の 1 は各サイクル数に使用されます。
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消去/書き込み寿命
図 2: Micron NVCE テスト - NOR ダイ例
239 238 237 236 235 234 233 232 231 230 229 228 227 226 225 224
240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255
207 206 205 204 203 202 201 200 199 198 197 196 195 194 193 192
208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223
175 174 173 172 171 170 169 168 167 166 165 164 163 162 161 160
176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191
143 142 141 140 139 138 137 136 135 134 133 132 131 130 129 128
144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159
111 110 109 108 107 106 105 104 103 102 101 100
112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127
99
98
97
96
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Periphery
Block
Cycle
Count
Blocks
Total
Cycles
0% of MAX
0
35
0
1% of MAX
1000
202
202,000
10% of MAX
10,000
20
200,000
100% of MAX
100,000
2
200,000
Total
259
602,000
注:
1. サイクルは 25℃と 55℃で実施します。
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データ保持
データ保持
本テクニカルノートでは、データ保持は該当データパターンを、NOR フラッシュデバイ
スの予測した寿命の期間内保持することと定義しています。データ保持テストでは、特
定の PROGRAM/ERASE サイクル数を耐久する上でのデバイスの信頼性について評価し
ます。サイクル後データ保持テストでは、膨大な量の PROGRAM/ERASE サイクルが実
行された後のデバイスのデータ保持能力を評価します。
JEDEC データ保持テスト
JESD47I では、2 つのテストを実施してデータ保持を検証します。
• 非サイクル高温データ保持 (UCHTDR) テストは、VCC で最高および 125°C で非サイクル
デバイスで実施されます。データパターンが入力され、アドレスの継続的な読み取りが
1,000 時間エラーなしで実行できなければなりません。このテスト時間内に合理的な
フラッシュメモリアプリケーションの許容品質を保証します。
• サイクル後高温データ保持 (PCHTDR) テストは、55°C でサイクルされた NVCE デバイ
スで実施され、125°C でテストを実施してデータシート違反やデータパターンのインテ
グリティについて確認します。 JESD47I 仕様は、2 つの PCHTDR テストフローを定義
付けしています。
– テストフロー 1：最大仕様の 1%、10%でサイクルされたブロックでは、データパタ
ーンはブロックでプログラミングされ、ブロックは 125°C で 100 時間ベークしてから
テストされます。
– テストフロー 2: 最大仕様の 100%でサイクルされたブロックでは、データパターンは
ブロックでプログラミングされ、ブロックは 125°C で 10 時間ベークしてからテスト
されます。
これらの PCHTDR テストフローでは、ブロックがすべてのデータシート仕様を満た
し、データパターンが同一である場合に、デバイスはテストに合格します。データシー
ト違反が発生した場合は、デバイスは不合格になります。
図 3: JESD47I PCHTDR テスト
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1K
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1K
1K
1K
3 lots of NVCE
devices at 55°C
39 devices/
lot
39 devices/
lot
10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 100K
Total cycle time = 500 hours (MAX)
Blocks not cycled
1000
+
10,000
100,000
+
Data
pattern
100 hours
Data
pattern
10 hours
125°C
125°C
Test Results
Pass: Meets data sheet specifications
and has the same data pattern
Fail: Does not meet data sheet specifications
or has a different data pattern
1/3 of cycle time for 1000 (1K)
1/3 of cycle time for 10,000 (10K)
1/3 of cycle time for 100,000 (100K)
注:
Bake
1. 少なくとも 1 ブロックが最大仕様でサイクルされなくてはなりません (100,000 回)。
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データ保持
Micron データ保持テスト
Micron では、2 つの JESD47I 準拠データ保持テストを NOR フラッシュデバイスで実施
します。
• Micron UCHTDR テストは、動作信頼性エラー率での組み込み電子部品を評価するダイ
ナミックストレステストです。このストレスでは、デバイスを上昇させたジャンクシ
ョン温度 125°C と VCC で機能を実行してエラーメカニズムを促進します。テスト中、
デバイスは順次アドレスを指定され、出力は実行しますが監視または読み取りはされま
せん。チェッカーボードデータパターンは、実際の使用を予測したランダムパターン
のシミュレーションに使用されます。最後に、すべてのデバイスが標準データシート
要件に対してテストされます。
• Micron の PCHTDR テストでは、過度な PROGRAM/ERASE サイクル後のフラッシュ
セルのデータ保持能力を査定します。以下の図にあるように、PROGRAM/ERASE を
100,000 サイクルしたブロックを 125°C で 10 時間ベークし、10,000 サイクルと 1,000
サイクルしたブロックを 100 時間ベークします。ベーク後に、すべてのデバイスが標
準データシート要件に対してテストされます。
図 4: Micron PCHTDR テスト - NOR ダイ例
239 238 237 236 235 234 233 232 231 230 229 228 227 226 225 224
240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255
207 206 205 204 203 202 201 200 199 198 197 196 195 194 193 192
208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223
175 174 173 172 171 170 169 168 167 166 165 164 163 162 161 160
176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191
143 142 141 140 139 138 137 136 135 134 133 132 131 130 129 128
144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159
111 110 109 108 107 106 105 104 103 102 101 100
112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127
99
98
97
96
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
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64
80
81
82
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84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
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63
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14
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12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Periphery
3 lots
NVCE at 55°C
Bake
1000
39 devices/
lot
10,000
Data
pattern
100 hours
125°C
39 devices/
lot
Data
100,000 +
pattern
10 hours
125°C
+
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Test Results
Pass: Meets data sheet specifications
and has the same data pattern
Fail: Does not meet data sheet specifications
or has a different data pattern or
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TN-12-30: NOR フラッシュ消去/書き込み寿命およびデータ保持
データ保持のモデル化と消去/書き込み寿命
データ保持のモデル化と消去/書き込み寿命
NOR フラッシュメモリのチャージロスやチャージゲインでの劣化メカニズムは、殆どの
場合フラッシュセルのトンネル酸化膜で電子がトラップすることで発生します。これが
絶縁膜からの漏れ出しに繋がり、セルの ERASE/WRITE 操作で故障が発生します。
以下の図では、この故障におけるアニール効果は、アレニウスの関係を用いてその温度関
係をモデル化することができます。ここでのデトラップに要する活性化エネルギーは、
1.1eV です (JESD22-A117 を参照)。アニールおよび緩和は、電界の予測使用時間に依存
します。
このモデルでは、サイクルが使用時間内で均一に分布されていることを仮定しています。
非サイクルストレス (UCHTDR) での性能は、125°C で 1,000 時間非サイクルストレス、
デトラップで 1.1eV のコンサバティブモデルを仮定しています。 125°C で 1,000 時間の
ストレスは、実際の使用では 55°C で 100 年の使用に相当します。非サイクル性能では、
この予測と同等またはより長期間の使用が見込まれます。
図 5: データ保持対消去/書き込み寿命
JE
W DEC
or
st- UCH
ca
se TDR
un
cy
cle
10,000,000
Retention Time (hours)
1,000,000
100,000
JE
Up DEC
to PCH
10 TD
,00 R
0c
yc
les
JE
D
Up EC
to PCH
10 TD
0,0 R
00
cy
cle
s
de
sti
High-Temperature Bake:
PCHTDR Test
Cycle
Option 1 Option 2
Stress temperature is equivalent to:
10 years at 55°C for ≤ 10% of MAX specification count (spec.) 100°C (hours) 125°C (hours)
or
100%
96
10
1 year at 55°C for 100% of MAX specification
10%
1000
100
ma
te
1%
20 years
10 years
1000
100
UCHTDR Test
1000 hours at 125°C
stress is equivalent to 20
years at 70°C uncycled
10,000
1 year
Equivalency
1000
100
10
Stress Conditions
1
25
40
55
70
85
100
115
130
Retention Temperature (°C)
メモ:
1. オレンジ色のストレス状態ボックスに表示されているデータポイントは、UCHTDR テストと
PCHTDR テストでの JESD47I 仕様の 5 つの有効な状態を示しています。
2. 紫色の同等性ボックスに表示されているデータポイントは、テストにおける JESD47I 仕様の
同等寿命状態を示しています。
3. ある特定のブロックでの PROGRAM/ERASE 5 サイクル以下は非サイクルとして定義されま
す。
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アプリケーション事例研究
アプリケーション事例研究
JESD47I 標準は、NOR フラッシュデバイスの合理的な状態での使用をテストするために
設計されており、極限状態での使用については適用できません。 Micron は 2 件の事例研
究を実施し、1) JESD47I 特定条件内での NOR の使用、2) これらの条件外での NOR の仕
様におけるデータ保持について比較しました。これらの事例研究は、Micron NOR フラ
ッシュデバイスを使用しているアプリケーションの寿命におけるデータ保持問題の識別
を促進するものです。
事例研究 #1 - JEDEC 仕様条件内
最初の事例研究では、アプリケーションの寿命は 10 年と予測されており、最悪状態の温
度は 65℃です。NOR デバイスのデータ書き込み需要は 20,000 サイクルで、サイクルは
10 年間均一に分布されます。この例では、NOR デバイスは 4 時間に 1 回書き込まれま
す。
以下の図では、本事例研究のデバイスの消去/書き込みサイクルは均一に分布されている
ことを示しており、アプリケーション寿命の 10 年間データ保持問題のリスクなくデータ
を保持できることが示されています。
図 6: 事例研究 #1
10,000,000
Un
10
cy
,00
0c
1,000,000
Retention Time (hours)
10
100,000
0,0
00
yc
cy
cle
d
Failing
data retention window
les
cle
Usage:
1. 20,000 cycles
2. Continuous temperature of 65°C
3. Life of 10 years
10 years
s
Assumptions:
1. Even cycles over the application life
10,000
Application usage:
1. Flash cycled every 4 hours
2. Image expected to stay valid ~5 hours
3. Data point on graph indicates data
retention required for application
1000
Passing
data retention window
100
10
1
25
40
55
70
85
100
115
130
Retention Temperature (°C)
0 cycles
2000
4000
6000
8000
10,000
12,000
14,000
16,000
18,000
20,000
Time zero
1 year
2 years
3 years
4 years
5 years
6 years
7 years
8 years
9 years
10 years
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アプリケーション事例研究
事例研究 #2 - JEDEC 仕様条件外
2 つ目の事例研究での使用モデルは最初の事例と同一ですが、サイクル周期が異なりま
す。アプリケーションの寿命は 10 年と予測されており、最悪状態の温度は 65℃です。10
年間に渡って、NOR デバイスのデータは 20,000 回消去/書き込みサイクルされ、アプリ
ケーション寿命の最初の月に過度なサイクルを予定しており、その後 9 年 11 ヶ月はサイ
クルなしでデータを保持することが想定されています。
以下の図は、本事例研究のアプリケーション寿命の早期に過度のサイクルが発生すること
により (JEDEC 仕様条件外)、10 年後のアプリケーション寿命を迎えた時点でデータの有
効性が確保できないというリスクがあることが示されています。
図 7: 事例研究 #2
10,000,000
Un
10
cy
,00
1,000,000
0c
Retention Time (hours)
10
100,000
0,0
00
yc
cy
cle
d
Failing
data retention window
les
cle
10 years
s
Assumptions:
1. All cycling done in the 1st month
of product life
10,000
Application usage:
1. Flash heavily cycled early in
product life
2. Image then expected to stay constant
for 9 years and 11 months
3. Data point on graph indicates data
retention required for application
1000
Passing
data retention window
100
Usage:
1. 20,000 cycles
2. Continuous temperature of 65°C
3. Life of 10 years
10
1
25
40
55
70
85
100
115
130
Retention Temperature (°C)
0 cycles
20,000 cycles
1 month
Time zero
1 year
2 years
3 years
4 years
5 years
6 years
7 years
8 years
9 years
10 years
製品需要の早期に過度のサイクルが発生することで (事例研究 #2 のように)、データ保持
を必要とするアプリケーションのリスクを最小限に抑えるためには、システムソフトウ
ェアをプログラミングしてサイクルブロックのデータを 1 年または 2 年ごとに更新し、
適切なデータ保持を図ります。データ保持要件を満たすこの他のオプションとしては、
過度にサイクルされたブロック (データイメージ) を長期的にデータ保持する必要のある
ブロック (コードイメージ) から分離する方法があります。過度なサイクルブロック
は、ウェアレベリングを使用して PROGRAM/ERASE サイクルをマルチブロックから分
離します。
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結果
結果
Micron NOR フラッシュデバイスは、消去/書き込み寿命とデータ保持におけるすべての
JEDEC 要件を満たしています。フラッシュメモリでは、少なくとも 1 ブロックが仕様最
大の 100%サイクルされ、サイクルが 1,000 時間以内に完了することが消去/書き込み寿命
に要求されます。すべてのサイクルテストが仕様最大の 100%で実行されるわけではあ
りません。1%や 10%で実行されることもあります。データ保持におけるストレス状態
は、実際の使用ケースに比例しており、サイクルされないデバイス、最大仕様の 1%およ
び 10%、100%でサイクルされたデバイスの両方で測定されます。
消去/書き込み寿命とデータ保持は分離できず、温度関数においても相互関係を持ってい
ます。サイクルおよびデータ保持におけるアプリケーション要件は、サイクル数、温度、
データ保持を必要とする期間などに依存するため多種多様であり、業界標準が有効な使用
モデルを提供する場合としない場合があります。
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改訂履歴
改訂履歴
改訂 A – 07/13
• 初期リリース。
8000 S. Federal Way, P.O. Box 6, Boise, ID 83707-0006, Tel: 208-368-4000
www.micron.com/products/support Sales inquiries: 800-932-4992
Micron and the Micron logo are trademarks of Micron Technology, Inc.
All other trademarks are the property of their respective owners.
This data sheet contains minimum and maximum limits specified over the power supply and temperature range set forth herein.
Although considered final, these specifications are subject to change, as further product development and data characterization sometimes occur.
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